Pesquisadores da Universidade da Califórnia em San Diego e do Toyota Research Institute of North America desenvolveram um material aglutinante para eletrodos de baterias de íons de lítio que dispensa o uso de flúor e pode ser processado com água.

O estudo, publicado na revista científica Nature Communications e repercutido em 16 de outubro, procura resolver um problema presente tanto na fabricação quanto na reciclagem de baterias.

Os aglutinantes são utilizados para manter unidos os materiais ativos dos eletrodos e garantir sua adesão às folhas metálicas que funcionam como coletores de corrente.

Embora representem uma parcela relativamente pequena da composição da bateria, influenciam seu desempenho e a complexidade dos processos industriais.

Materiais convencionais à base de flúor podem exigir solventes específicos durante a fabricação e procedimentos adicionais de tratamento quando a bateria é reciclada.

O problema dos solventes industriais

Um dos materiais frequentemente utilizados na fabricação de eletrodos é o fluoreto de polivinilideno (PVDF).

Seu processamento pode exigir N-metil-2-pirrolidona (NMP), solvente associado a riscos à saúde e sujeito a controles industriais.

Depois da aplicação do material, a fabricação envolve secagem e recuperação do solvente.

Essas etapas consomem energia e exigem equipamentos específicos.

Na reciclagem, a presença de aglutinantes fluorados também pode dificultar a separação dos materiais.

A remoção pode exigir temperaturas elevadas ou tratamentos químicos, dependendo da tecnologia empregada.

Resíduos contendo flúor podem criar dificuldades adicionais para a recuperação de materiais destinados à fabricação de novas células.

A formulação desenvolvida pelos pesquisadores

A equipe utilizou uma combinação de ácido poliacrílico, carboximetilcelulose e ácido cítrico.

Os componentes foram processados em água para produzir um aglutinante com propriedades de adesão e estabilidade adequadas aos eletrodos testados.

Segundo os pesquisadores, o material apresentou desempenho competitivo em diferentes configurações, incluindo eletrodos associados a baterias de fosfato de ferro-lítio (LFP), materiais ricos em níquel e aplicações com silício.

A pesquisa também avaliou a recuperação dos eletrodos depois da utilização.

Os materiais puderam ser separados das folhas metálicas por meio de tratamento aquoso, facilitando a recuperação dos componentes.

Esse resultado interessa especialmente à reciclagem direta.

Diferentemente de processos que decompõem os materiais até recuperar metais ou sais, a reciclagem direta procura preservar parte da estrutura dos materiais ativos para sua regeneração e reutilização.

Quando viável, essa abordagem pode evitar determinadas etapas de transformação química.

Benefícios estimados ainda dependem de escala

A avaliação apresentada pelos pesquisadores estimou redução de consumo energético entre 6,9% e 9,3% em determinadas etapas de fabricação.

O estudo também apontou possibilidade de aumento de 7,1% no lucro estimado dos fabricantes, conforme as hipóteses econômicas utilizadas.

Na reciclagem, os modelos indicaram redução de aproximadamente 10% no consumo de energia, 3% no uso de água e 7,2% nas emissões de gases de efeito estufa.

Esses percentuais são resultados das análises conduzidas no estudo, não indicadores comprovados de uma instalação comercial operando em escala.

A transição para novos materiais exige validação industrial.

Fabricantes precisam verificar estabilidade durante milhares de ciclos, compatibilidade com equipamentos existentes, desempenho em diferentes condições e segurança das células.

A equipe pretende continuar o desenvolvimento em parceria com a indústria.

A reciclagem começa no projeto da bateria

O estudo mostra como decisões tomadas na fabricação podem determinar os custos de recuperação anos depois.

A composição dos materiais, o tipo de adesivo e a facilidade de desmontagem influenciam a quantidade de energia e reagentes necessária para reciclar uma bateria.

Para operadores de reciclagem, essas características podem definir quais processos são tecnicamente possíveis e economicamente competitivos.

Uma bateria projetada para permitir separação mais simples dos eletrodos pode favorecer métodos de recuperação que preservam maior valor dos materiais.

Entretanto, essa vantagem só poderá ser capturada se existirem sistemas adequados de coleta, diagnóstico e processamento.

Implicações para a América Latina

A expansão de veículos elétricos e sistemas de armazenamento na América Latina deverá aumentar a demanda futura por reciclagem de baterias.

Projetos regionais de recuperação precisarão lidar com diferentes químicas e gerações de células.

Tecnologias que reduzam a necessidade de reagentes agressivos podem oferecer alternativas industriais, especialmente em regiões nas quais custos de tratamento de efluentes e infraestrutura química são relevantes.

Ainda assim, a adoção dependerá de decisões tomadas pelos fabricantes de baterias.

Operadores latino-americanos não poderão escolher retroativamente os materiais utilizados nas células que receberão para reciclagem.

Por isso, mudanças no projeto das baterias possuem efeitos de longo prazo.

A pesquisa representa um avanço experimental na possibilidade de combinar desempenho eletroquímico com processos de recuperação menos complexos.

Seu impacto comercial dependerá da capacidade de reproduzir os resultados em linhas industriais e da disposição dos fabricantes para incorporar novos materiais aos seus processos.